步进电机的单片机控制硬件系统设计

熊超美

(湖北地质勘查装备中心,湖北武汉 430034)

步进电机的单片机控制硬件系统设计

熊超美

(湖北地质勘查装备中心,湖北武汉 430034)

文章以28BY J-48步进电机为例,以STC89C52单片机为控制核心,以串行通讯接口为程序下载通道,以protel99SE为电路设计平台,对步进电机及其控制方法进行了论述,设计了硬件接口。该设计具有通用性,对于不同步进电机,可以通过修改相应的电路及相关程序实现,提高了系统控制的灵活性。此种方法高效、方便、成本低廉,在实际应用中有着很高的利用价值。

步进电机;STC单片机;控制系统

为了提高步进电机硬件系统控制的灵活性,以28BY J-48步进电机为例,以STC89C52单片机为控制核心,以串行通讯接口为程序下载通道,以Protel99SE为电路设计平台设计的硬件接口,对于不同步进电机,可以修改相应的电路及相关程序实现,在实际应用中有极高的利用价值。

1 步进电机的控制硬件系统

步进电机的单片机控制系统硬件原理图如图1所示。

图1 系统控制硬件结构示意图

用内部含Flash存储器的单片机STC89C52RC[1]作为核心部件,并配以晶振电路,复位电路,通过扩展外围设备及接口电路完成整个系统对步进电机的控制。本系统环形分配功能由单片机系统实现,采用软件编程的办法实现脉冲分配。

2 串行通讯接口

本系统中所使用的串行通讯芯片为MAX232[2]。RS232-C是标准的串行通讯的协议,也就是说它是用于相关设备进行串行通讯所使用的标准。

2.1 串行通讯接口的优点

所谓串口类似于一条车道,而并口就是有8个车道同一时刻能传送8位(一个字节)数据。由于8位通道之间的互相干扰,传输时速度就受到了限制,所以并不比串口快。而且当传输出错时,要同时重新传8个位的数据。串口没有干扰,传输出错后重发一位就可以了,因而传输速度要比并口快。所以,它通常是用来作为跟PC机和单片机进行通讯的首要选择。本文也正是利用了它的这一特点。

2.2 串口的硬件连接图

串口的硬件连接图如图2所示。

图2中最左边的D形9针接口是与上位机的接口,MAX232CPE是电平转换芯片,实现单片机与上位机的串行通讯过程中的电平转换,即将RS232对地对称的12 V逻辑电平转换成5 V的 TTL电平。接线图中,除一些必要的电源和电容的连接外,其10口T1IN与单片机的TXD端相接,9口R2OUT端与单片机的RXD端相接,实现单片机与上位机的通讯,用来向单片机中烧写程序。

3 单片机最小应用系统

3.1 单片机最小应用系统的电路

单片机最小应用系统的电路如图3所示。

图2 串口的硬件连接图

图3 单片机最小应用系统

3.1.1 时钟电路[3]

STC89C52RC虽然有内部振荡电路,但要形成时钟,必须外部附加电路。80C51单片机的时钟产生方法有两种:内部时钟方式和外部时钟方式。

本文采用内部时钟方式,利用芯片内部的振荡电路,在XTAL1、XTAL2引脚上外接定时元件,内部的振荡电路便产生自激振荡。本设计采用最常用的内部时钟方式,即用外接晶体和电容组成的并联谐振回路。振荡晶体可在1.2 MHz到12 MHz之间选择。电容值无严格要求,但电容取值对振荡频率输出的稳定性、大小、振荡电路起振速度有少许影响,CX1、CX2可在20 pF到100 pF之间取值,在本设计中,振荡晶体选择11.059 2 MHz,电容选择30 pF。

在制作电路板时,晶体和电容应尽可能靠近单片机芯片安装,以减少寄生电容,更好地保证振荡器稳定和可靠地工作。为了提高温度稳定性,应采用NPO电容。

3.1.2 复位电路[3]

STC89C52RC的复位是由外部的复位电路来实现的。复位引脚RST通过一个斯密特触发器用来抑制噪声,在每个机器周期的S5P2,斯密特触发器的输出电平由复位电路采样一次,然后才能得到内部复位操作所需要的信号。

复位电路通常采用上电自动复位和按钮复位两种方式。

最简单的上电自动复位电路中上电自动复位是通过外部复位电路的电容充电来实现的。只要Vcc的上升时间不超过1 ms,就可以实现自动上电复位。时钟频率用12 MHz时C取22μF,R取1 kΩ。

除了上电复位外,有时还需要按键手动复位。本设计就是用的按键手动复位。按键手动复位有电平方式和脉冲方式两种。其中电平复位是通过RST端经电阻与电源Vcc接通而实现的。时钟频率选用12 MHz时,C取22μF,R0取100Ω,R1取1 kΩ。

3.2 单片机的选择

51系列的应用目前来说也是最为广泛的,所以理所当然地选择了51系列。但同时考虑到后续过程中程序的烧写问题,选择了能够通过串口进行程序烧写的STC89C52RC,虽然对于本文应用到的硬件资源来说,用这个单片机有点浪费,但考虑到主要矛盾是程序下载的更便宜解决方法,综合考虑就选择了用STC89C52RC作为控制芯片。

4 硬件接口和脉冲驱动电路

4.1 电机的接口定义

实际接线红线接电源5 V;定义橙色线为A相,接P1.0口;黄色线为B相,接P1.0口;粉色线为C相,接P1.2口;蓝色线为D相,接P1.3。

由所选电机作如下接线设定:P1.0接A相(橙色线),P1.1口接B相(黄色线),P1.2口接C相(粉色线),P1.3口接D相(蓝色线),由于本设计中有一部分是用到两个电机的,另一个电机接线定义如下: P1.4口接A相,P1.5口接B相,P1.6口接 C相, P1.7口接D相。

4.2 电机驱动

对电机的驱动实际上是功率的放大。因为无论是选择硬件环还是软件环分,其输出的功率极小(只有几毫安的电流),这样就必须将其经过功率放大器进行放大,才能给绕组提供足够的驱动电流,而且步进电机有几相就需要几组功率放大驱动。步进电机工作系统如图4所示。

图4 步进电机的工作系统框图

4.3 驱动芯片的选择

由于集成电路的飞速发展,现在无需自己搭建驱动电路[13],可以很方便地直接选用驱动芯片。考虑到通用性及性能,本设计选择最较常用的驱动芯片ULN2003作为电机驱动。因为ULN2003工作电压高,工作电流大,灌电流可达500 mA,并且能够在关态时承受50 V的电压,输出还可以在高负载电流并行运行,刚好能够满足步进电机运转对高电流的需求。

4.4 步进电机工作电路图

步进电机的工作电路图如图5所示。

整个系统起初拟定的是采用一个USB电源供电,实际使用电路时发现仅使用这个电源只能驱动一个电机工作,其他部分均因为电流不足而无法工作,故又增加一个电源,对ULN2003和电机单独采用9 V干电池供电,改进之后发现各部分均能正常工作。唯一欠缺的是,单片机与驱动芯片之间没加光电隔离[4]以防干扰,不过这也是考虑本系统的被控制对象较单一(只有两个电机和一个四门数码管)的缘故。

4.5 速度显示电路[5]

本设计中用两片4位八段数码管L G3641BH作显示器,并具有双重功能,在单个电机作加减速运动时动态显示[3]电机的各时间段的不同速度;在两电机作直线插补运动时分两位用十六进制显示各电机所走的步数。

由于单片机的输出功率比较小需要使用驱动,选择相对较为便宜的驱动方法——三极管驱动[2]LED位选线。

硬件电路图如图6所示。

图6中,数码管为共阳极型的,采用PNP型的三极管作为驱动。

5 结束语

该设计具有通用性,对于不同步进电机,可以通过修改相应的电路及相关程序实现,提高系统控制的灵活性。该方法高效、方便、成本低廉,在实际应用中有着很高的利用价值。结果表明,该步进电机控制系统能实现预期的走步和两轴协调运行,达到了较好的控制效果。

图5 步进电机工作电路图

图6 显示电路

[1] 徐进强.基于STC单片机的经济型步进电机控制系统[J].现代电子技术,2009,(14):197-199.

[2] 王海波,吴晓光,李沛,等.基于AT89S52单片机的步进电机控制系统设计[J].万方数据,2009,11:161-162.

[3] 余锡存,曹国华.单片机原理及接口技术[M].西安:西安电子科技大学出版社,2000.

[4] 刘兴辉,毕国玲.步进电机的单片机控制系统研制[J].辽宁大学学报自然科学版,2007,(4):319-321.

[5] 李正浩,姜宝钧,邓兴成.51单片机在LED数码管显示中的应用[J].实验科学与技术,2006,12(增刊):95-98.

Single-chip Control Hardware System Design of Stepper Motor

XIONG Chao-mei
(Hubei Geological Prospecting Equipment Center,W uhan430034,China)

Taking the 28BY J-48 stepper motor as an example,the STC89C52 single-chip as the control core,the serial communication connection as the procedure downloading channel,by the protel99SE circuit design platform, the paper has carried on the elaboration to the stepper motor and its control method,and designed the hardware interface.The design has versatility,regarding different stepper motors,and it might realize to enhance the systems control flexibility through modifying the circuit and related procedures.This method is highly effective,convenient and cost is low,so it has the very high use value in the practical application.

stepper motor;stc single-chip;control system

TD68

A

1003-5540(2011)01-0061-04

熊超美(1958-),男,工程师,主要从事选矿设备电气自动化及电路设计工作。

2010-10-26